國外商業衛星搭載有效載荷發展研究

劉 豪（北京空間科技信息研究所）

國外商業衛星搭載有效載荷發展研究

劉 豪（北京空間科技信息研究所）

自20世紀60年代以來，世界各航天國家便開始利用衛星的多余能力來搭載額外的有效載荷，以做到物盡其用，用最少的錢辦更多的事。但過去的“搭載”更多的是政府行為，也就是說，衛星是政府所有，在政府主導下尋求其他各方有效載荷來“搭便車”，這是傳統的有效載荷搭載。近幾年來，國外掀起了新的商業衛星“搭載有效載荷”的熱潮。“搭載有效載荷”是指通過商業模式，利用商業衛星的質量、功率和通信鏈路等可用資源，容納額外的轉發器、儀器或其他星載設備，也有人稱之為“托管有效載荷”或“寄宿有效載荷”等。

1 “搭載有效載荷”的典型案例

“搭載有效載荷”與傳統的有效載荷搭載在形式上是大體相同的，被搭載的有效載荷也通常都是政府有效載荷（部分是商業有效載荷），區別就在于二者的衛星主體屬性不同：前者是商業衛星，有較嚴格和確定的交付進度，且這一進度一般情況下不因“搭載有效載荷”而改變，也就是說，衛星是“公交車”，車不等人；后者是政府衛星，衛星與“搭載有效載荷”之間一般需要充分協調，且最終發射時間要等各有效載荷全部交付后才能確定，也就是說，衛星是“包車”，人到齊才走。因此，商業衛星“搭載有效載荷”在合作目的、管理模式、責任與權利等細節問題上有更明確的考慮和規定。

近幾年，國外成功開展了多項商業衛星“搭載有效載荷”案例，如“商業搭載紅外有效載荷”（CHIRP）飛行驗證項目、“廣域增強系統”（WAAS）、“歐洲地球同步軌道衛星導航增強服務系統”（EGNOS）、“國家自動識別系統”（NAIS）項目、“空間因特網路由”（IRIS）聯合能力技術驗證、澳大利亞國防部隊專用特高頻通信有效載荷等。

“商業搭載紅外有效載荷”項目

美國空軍空間與導彈系統中心的“商業搭載紅外有效載荷”項目于2011年使用一顆商業地球靜止軌道衛星（即SES－2）搭載一個寬視場、被動紅外傳感器發射升空。這次試驗支持下一代紅外傳感器系統研制，對于降低第三代紅外監視系統（3GIRS）的技術風險至關重要。該項目的成功開辟了“搭載有效載荷”這樣一個新的市場領域。

2008年1月，美國通信公司（Americom，即現在的SES-Americom公司）向政府主動提出“商業搭載紅外有效載荷”項目建議。2008年6月，美國政府授予該公司一份價值6500萬美元的合同。該項目合同主要涉及四家單位：美國空軍空間與導彈系統中心是發包方；SES-Americom公司是項目主承包商，也是SES－2衛星的運營商；軌道科學公司是衛星的承包商，負責衛星研制，并提供任務操作中心；科學應用國際公司（SAIC）是紅外傳感器的承包商，并提供任務分析中心。

“商業搭載紅外有效載荷”項目采用承包商的地面設施和任務操作團隊，利用在軌數據在地面操作和評價“商業搭載紅外有效載荷”系統，包括敏感器指令、健康狀況監測、敏感器校準和跟蹤算法評估等。衛星由SES公司通過其商業衛星運營中心運營，而“商業搭載紅外有效載荷”則由科學應用國際公司的任務分析中心提供指令，經過軌道科學公司的任務運營中心，再由SES公司上傳。該任務數據通過星載專用設備加密后，由一臺商業轉發器下傳到SES公司的地面站，再傳送給軌道科學公司，之后實時分發給科學應用國際公司的任務分析中心以及美國空軍。SES-Americom公司不參與保密數據的處理。

商業衛星“搭載有效載荷”典型案例

“廣域增強系統”項目

“廣域增強系統”是由美國聯邦航空管理局開發建立的用于空中導航的系統，包括地面段和搭載在地球靜止軌道衛星上的轉發器。地面段向衛星轉發器發送“全球定位系統”（GPS）校正信號，信號即可覆蓋北美。

為了確定最初的“廣域增強系統”服務，聯邦航空管理局租用在軌運行的商業通信衛星上的轉發器。2007年，聯邦航空管理局用向洛馬公司專門定制的L頻段轉發器作為商業地球靜止軌道衛星上的“搭載有效載荷”替代了原有的轉發器。此次簽署了兩個搭載合同，一個是國際通信衛星公司的銀河－15（Galaxy－15）衛星，另一個是電信星公司的阿尼克－F1R（Anik－F1R）衛星。2009年，聯邦航空管理局簽訂了一份合同，為“廣域增強系統”增加了第三顆商業地球靜止軌道衛星[國際移動衛星－4F3（Inmarsat－4F3）]。

歐洲版的“廣域增強系統”被稱為“歐洲地球同步軌道衛星導航增強服務系統”，從2011年起，歐盟將專用有效載荷搭載到商業地球靜止軌道衛星上。2012年發射的SES－5衛星上攜帶了歐盟的導航有效載荷。

“國家自動識別系統”項目

“搭載有效載荷”另一實例是美國海岸警衛隊的“國家自動識別系統”項目。2004年5月20日，美國海岸警衛隊授予軌道通信公司價值780萬美元的固定價格合同，包括建造自動識別系統有效載荷、與衛星集成、發射和在軌運行。軌道通信公司將衛星研制和發射合同分包給OHB系統公司，而OHB系統公司進一步將平臺制造和發射分包給飛行科研生產聯合體。軌道通信公司負責衛星及有效載荷的在軌運行。

SES衛星示意圖

“國家自動識別系統”項目被設計用來增強現有的“自動識別系統”，該系統通過監視船舶運輸實現海域感知。有效載荷用于測試進行船舶跟蹤與其他導航活動的自動識別系統信息接收與報告的可行性和有效性。軌道通信公司后來意識到了這一商業機會，自行出資將同樣的載荷增加到5顆額外的衛星上。星載自動識別系統數據服務的其他用戶包括海軍、國家海洋與大氣管理局、保險公司等。

“空間因特網路由”項目

“空間因特網路由”搭載項目是美國國防部資助的項目，主要目的是在軌驗證思科（Cisco）公司的空間路由能力。“空間因特網路由”有效載荷搭載在國際通信衛星－14上，于2009年11月發射。該項目屬于美國戰略司令部的聯合能力技術驗證項目，設計壽命10年，合同價值1210萬美元，包括研制有效載荷并負責前90天的運行，其他時間的運行費用則由其他用戶支付。

專用特高頻有效載荷搭載項目

2012年3月25日，攜帶澳大利亞國防部隊專用特高頻有效載荷的國際通信衛星－22成功發射，該衛星還裝有24臺C頻段和18臺Ku頻段轉發器。此次搭載項目由國際通信衛星公司主承包，衛星平臺和搭載的特高頻有效載荷均由波音公司提供。搭載項目合同額為1.67億美元，包含有效載荷研制、發射和15年在軌運行。該有效載荷占國際通信衛星－22總有效載荷容量的20%，有關項目的技術性能問題和進度延遲問題，均通過商業保險條款解決。

2 “搭載有效載荷”最新發展

美國建立指導文件有助于規范“搭載有效載荷”發展

對“搭載有效載荷”所有者，即政府和軍方層面來說，采用商業衛星搭載具有多種優勢，但也存在一些劣勢，比如采用商業搭載，在質量、體積和功耗方面必然存在局限性；商業衛星的采購、建造和發射進度嚴格，與政府任務相比缺少靈活性；此外，對于地球觀測任務有效載荷，雖然每年發射機會較多，但衛星的軌道位置、傾角以及提供給“搭載有效載荷”的視角有限。同時，“搭載有效載荷”所有者向運營商所支付的搭載費用沒有明確標準，差異也可能很大。同時，“搭載有效載荷”為商業通信衛星項目的整個生命期增加了各種不確定性，必須以商業合同條款的形式加以約束。

測試中的“阿尼克”衛星

2010年，美國《國家航天政策》指出“要聯合采辦可靠、進度符合美國政府要求，且高效費比的航天發射服務和‘搭載有效載荷’”，明確提出鼓勵政府發展“搭載有效載荷”，為美國軍方、產業界開展“搭載有效載荷”工作提供了國家層面的法律政策依據，起到戰略指導作用。2011年《國家安全空間戰略》和2012年國防部《空間政策》均進一步明確這一思路。

為了使商業“搭載有效載荷”更具有可操作性，美國航空航天局（NASA）于2010年8月委托富創公司（Futron）作了一個《“搭載有效載荷”指南》的報告，從“搭載有效載荷”項目的合同簽署、研制與集成、發射與在軌測試、運行和壽命末期等各個階段作了詳細的規定。該報告成為商業“搭載有效載荷”的第一個指導性手冊。

2012年9月，美國國防部發布了《在商業衛星上搭載軍事通信有效載荷指南》，提出了搭載軍事通信有效載荷的指導性意見，該指南在操作層面明確了國防部的態度，但也為“搭載有效載荷”進行了限制，指出“未經國防部批準，衛星所有者/運營商不得向盟國政府或任何實體公布、確認、詳述或出租“搭載有效載荷”容量；國防部擁有“搭載有效載荷”所在的軌道位置權與頻率權；發生無線電頻率干擾限制“搭載有效載荷”的使用時，衛星所有者將負責解決問題，并補償國防部服務的損失。”不過，該指南遭到產業界的廣泛批評，認為該指南約束太多，不利于“搭載有效載荷”的發展。

產業界成立“搭載有效載荷”聯盟為項目架橋

為推進“搭載有效載荷”的發展，2011年初由波音公司、洛馬公司、勞拉公司、軌道科學公司、SES公司、國際通信衛星公司和銥星公司等7家公司發起成立了“搭載有效載荷”聯盟（HPA），旨在宣傳“搭載有效載荷”的利益，構架政府和私營企業的溝通橋梁，促進商業衛星搭載政府有效載荷的實施。截至目前，該聯盟的成員又增加了泰雷茲-阿萊尼亞公司、航空航天防務公司下屬的阿斯特留姆公司（EADS Astrium）、阿里安航天公司、國際發射服務公司、歐洲通信衛星公司、哈里斯公司、ATK空間系統公司、雷神公司、諾格公司、ComDev公司、MEI技術公司和國際移動衛星公司等。這些公司基本涵蓋了全球主要的衛星制造商、運營商、發射服務提供商和相關航天企業。

2012－2022年“搭載有效載荷”數量統計和預測

2012－2022年“搭載有效載荷”產業收入分析預測

在商業衛星上搭載政府的有效載荷面臨一些具體的問題，例如：如何快速地為政府有效載荷找到匹配的商業衛星搭載機會；如何讓政府有效載荷項目的研制周期與商業衛星研制周期一致；如何改變政府傳統的對衛星項目的管理方法等。“搭載有效載荷”聯盟的成立，正是力求找到政府與產業界都認可的解決方案。從“搭載有效載荷”聯盟的成立可以看出，產業界非常有興趣參與搭載項目。

3 “搭載有效載荷”產業規模分析和預測

“搭載有效載荷”數量分析和預測

據國外統計預測：2012－2022年，全球在軌運行的“搭載有效載荷”數量大致呈現3個發展階段：2012－2014年為起步階段，每年的搭載數量不超過20個，增長緩慢；2015－2017年為快速發展階段，每年搭載數量將大幅增加，年均增長率達到200%，到2017年超過160個；之后幾年為穩定發展階段，年搭載數量繼續保持緩慢增長。2012年，全球有13個“搭載有效載荷”在軌運行，包括4個軍事通信、6個政府民用、3個私營企業有效載荷提供軍事服務。2013年，全球有18個“搭載有效載荷”在軌運行。到2022年，將有184個“搭載有效載荷”在軌運行。

“搭載有效載荷”產業收入分析和預測

隨著“搭載有效載荷”數量的不斷增長，“搭載有效載荷”將成為衛星產業收入的一部分。目前，由于其正處于起步階段，產業界還沒有形成成熟的定價機制。如前所述，“商業搭載紅外有效載荷”項目搭載費用為6500萬美元，但這一價格并不一定恰當，如何制定合理的價格成為當前涉及“搭載有效載荷”各方，尤其是企業界所關注和研究的重要問題。

美國北方天空研究所（NSR）在分析和預測“搭載有效載荷”產業收入時，采用了3種價格模式：基線價格、適當價格和較高價格。基線價格實際上可以通俗地理解為“成本價”，適當價格則表示比較合理的一種價格，較高價格則可以通俗地理解為“封頂價”。根據預測，2012－2022年間，“搭載有效載荷”累計產業收入可達到18億～29億美元。2020年以后，年均收入可達4億美元。這一收入雖然不高，僅為2012年全球衛星制造業收入（146億美元）的2.7%，但在當前全球衛星制造業利潤率不足10%的情況下，“搭載有效載荷”收入將顯著提高全球衛星制造業的利潤率。

不同有效載荷類型的收入百分比

從不同有效載荷類型的市場份額來看，來自軍事有效載荷的收入占55%，來自私營企業有效載荷的收入占24%，來自政府民用有效載荷的收入占21%。

4 “搭載有效載荷”的發展動因分析

商業衛星“搭載有效載荷”從一開始只是個例，也并未引起政府、軍方和企業界的太多重視。隨著美國政府航天預算的壓縮、政府航天項目經常出現成本超支和進度拖延的問題，軍方通過嘗試商業“搭載有效載荷”節省了航天預算，也看到了其中的軍事意義，企業界則認為這是增加利潤的機會，于是供需雙方一拍即合，迅速推動“搭載有效載荷”發展。

近年來，雖然美國一些有關“搭載有效載荷”的文章或報道大多以解決美國政府航天項目成本超支和進度拖延為主要動因，言必稱“省時省錢”，但筆者認為這只是掩人耳目的說辭，真正的動因還在于其軍事意義。事實上，商業衛星“搭載有效載荷”是美國寓軍于民，提高軍事航天裝備彈性的措施之一。

2011年美國《國家安全空間戰略》指出，美國將通過增強高成本效益的防衛和加強體系彈性來消除敵對方的進攻效果。一旦其空間系統遭到攻擊，美國將與其他國家、商業機構和國際組織開展合作，采用“搭載有效載荷”、快速響應和其他途徑，確保美國的軍事用天能力。2012年美國新版國防部《空間政策》則突出強調了國家空間體系彈性，提出“彈性”的明確概念，即一個體系在敵對或不利條件下，支持提高任務成功概率所需功能、縮短能力恢復時間、應對更寬廣想定、條件和威脅的能力。為了加速提升空間體系的“彈性”，美國將大力推動軍、民、商和國際航天能力的合作互補，確保在對抗環境下滿足美國武裝力量對空間能力效果的需求。

美國考慮到，在未來的空間安全形勢下，大規模軍事作戰首先搶奪的是用天能力，而專用軍事衛星可能首當其沖遭受攻擊，因此，近幾年來美國著力開展提高軍事航天裝備彈性的研究，包括提高專用軍事衛星的抗打擊能力、研究分離模塊航天器（F6）概念、鼓勵“搭載有效載荷”、提出“鳳凰計劃”等等。其中，利用國際商業運營商龐大的在軌衛星資源，在不同軌道、多種平臺上部署“搭載有效載荷”，可起到寓軍于民的效果，符合其提高軍事航天裝備彈性的目的。

從企業層面來講，積極推動“搭載有效載荷”的最大動因在于追求更高利潤和分攤發射風險。當前，國際衛星制造商的衛星平臺往往有較大的空間、質量和功率余量，運營商采購一顆商業通信衛星后，在安裝需求數量的轉發器外，往往還有一些余量可供利用。對于一顆質量達6t、功率15kW以上的商業衛星而言，搭載一個數十千克的額外有效載荷完全不是困難，也不會因此增加發射費用。因此，“搭載有效載荷”的費用幾乎是純利潤。此外，“搭載有效載荷”也需要購買商業發射和運行保險，一旦發射失敗，“搭載有效載荷”也將分攤這部分風險。